刷式汽封在节能改造中的应用

李忠波，金 岩

(1.辽宁华电铁岭发电有限公司，辽宁 铁岭 112000;2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

汽轮机正常运行时，由于主轴穿出汽缸处存在径向间隙，在差压的作用下，高压端或高压缸两端汽缸内的蒸汽向外泄漏，同时，低压缸端或低压缸两端空气漏入汽缸［1］，即发生汽封漏汽。汽封漏汽损失逐渐成为制约汽轮机效率的主要因素，汽封性能的优劣直接影响机组的经济性和可靠性。

刷式密封是近年发展起来的一种高效阻尼密封，是继蜂窝汽封技术后发展起来的新型技术，其泄漏量是梳齿迷宫密封的1/5～1/10，并允许动静之间瞬态严重不同心以保持密封能力不变，既提高了机组效率，又改善了转子的稳定性。刷式密封一般用于动静件间的气体介质密封，在液体或粉尘等密封方面，效果也十分明显。刷式密封的刷毛相对轴的旋转方向按一定倾斜角度规则排列，以减少刷毛的磨损，使刷毛更容易适应转子的制造误差和热变形等，并在转子瞬间大幅径向位移后迅速弹回，保持密封间隙不变。

刷式密封的刷线主要为钴基高温合金，具有低脆性、高韧性、运行过程中不易折断的特点，而高性能的焊接工艺可保证刷丝不脱落，经过精确计算设计的刷毛束厚度、高度保证了封严性，刷丝材料和涂层材料的合理组合保证了密封稳定、安全的运行［2］。

1 刷式汽封原理及优点

刷式汽封是国内研制较早的小间隙汽封，其汽封厚度达1 mm，是由直径仅为0.05 mm的钢丝组成，汽封安装间隙为0.1 mm［3］。刷式密封是一种柔性密封，能适应转子的瞬间径向变形或偏心运动，可做到在保证安全的前提下尽量减小密封间隙，同时由于增加了转子振动阻力，有利于改善转子的稳定性。

1.1 刷式密封原理

刷式汽封由上游环、下游环及夹装在两者之间紧密排列的刷毛组成，刷式汽封的结构如图1所示。刷毛是一束捆扎在一起的高密集度、高温合金的细金属丝，按一定方向排列的刷毛束被钎焊在左右两侧的圆环上，刷丝的自由端与轴表面接触，致密的细金属丝阻隔了工质的泄漏通道。刷毛沿转子旋转方向有一定倾角，这样刷毛通过柔性退让能吸收转子径向偏移，且易恢复闭合状态，以保证封严性。在短时期与轴过盈接触后，不会像迷宫密封一样，出现永久性的性能损失。

流体在刷丝中的流动主要有同向流、射流、漩涡流和横向流四种基本形式。由于刷子中刷丝间空隙的不均匀性作用，均匀来流进入刷丝束中变得不均匀，且从紧密的刷丝束区域向疏松的刷丝束区域偏流，这些偏流在刷丝排之间逐渐形成同向流和射流，并产生随机的二次流和旋涡流。刷毛在气流作用下产生各种流动，形成阻尼，消耗了汽体的能量，降低了汽体的温度和压力，起到了自密封效应，从而达到减少汽体泄漏的目的［4］。

刷式密封的密封效果主要取决于刷丝的排列密度和后面板与轴颈之间的间隙。刷丝的排列密度在一定工作状态下有一最佳值，太小了泄漏量增大，过于密集对密封性能也不利。后面板与轴颈的间隙应尽可能小，以保证刷子具有足够的刚度。

1.2 刷式汽封技术指标

由于刷式汽封的密封性能主要取决于刷毛密度、刷毛与轴间隙、刷毛直径和刷毛齿形。通常对刷式汽封技术指标规定如下:刷丝为D0.08～0.15 mm的特种高温镍 (钴)基合金;刷丝总厚度为0.6～2 mm，且80～120根/mm2;耐温可达690℃以上;可承受的线速度超过305 m/s;刷丝焊接熔深为2.5～3 mm;汽封体材质尺寸与原汽封相同;安装间隙只需设计值的1/4～1/2;轴封和隔板间隙为0.1～0.3 mm;低压叶顶间隙为 0.65～0.75 mm。

1.3 刷式汽封优点

刷式汽封是一种柔性密封，可自适应轴的瞬间跳动，并能迅速恢复原状，保持原有间隙，不会因过临界或异常振动等造成间隙永久变大;刷丝顺转子转动方向按一定角度规则排列，在发生碰磨时可自动退让，不会刮伤转子或增大机组振动，能很好的保持机组安全性;刷环间隙比原硬齿间隙减少0.15～0.25 mm，可减少漏气量，提高机组效率;刷环最大承压能力可达2 MPa，在隔板、轴封、叶顶处均可使用;刷丝材质为钴基耐高温合金，物理及化学性能优良，热力性能完全满足汽轮机运行环境要求，使用寿命较长。

刷式汽封能极大减少汽封的安装间隙;能够克服传统密封在转子偏心运动下造成的永久磨损，使泄漏量不断增大;能够提高机组效率 (1%～4%);能够提高设备运行的安全性;通过三缸及小机轴端改造，可杜绝油中进水、低压缸真空严密性差等现象。

2 刷式汽封应用

某电厂2号汽轮机是由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的亚临界、一次中间再热、双缸、单轴、双分流、凝汽式汽轮机，型号为N350－16.7/538/538。该机组原有汽封均为曲径 (梳齿)式，特点是利用依次排列的汽封齿与轴之间的间隙形成多个小汽室，使高压蒸汽压力在汽室中的压力逐级递减，达到减少蒸汽外漏的目的;转子轴向间隙距离较小，且间隙不可调整;机组启停时汽封齿易磨损，局部漏量增加［5］。

为提高机组效率、降低发电煤耗、节约能源，对该机组进行了汽封改造。通常汽封改造应用位置在汽轮机的轴端、隔板、叶顶、平衡盘等处，主要作用是防止蒸汽外漏或空气进入低压缸，提高机组效率。

高压进汽平衡环、中压进汽平衡环、高压排汽平衡环全部改成刷式汽封，共10圈，并按照新标准进行调整;对高中压轴端汽封 (8圈)径向间隙调整;对高压内缸阻汽片 (5圈)重新镶装，进行调整;更换中压第2、3、4、5、6、7、9级下隔板汽封;对汽封环及汽封环槽道进行彻底清扫并调整间隙［6］。表1为汽封改造前后缸效率和热效率的对比。

可见，汽封改造后机组的经济性得到显著提高。改造后机组热耗率为8 042.6 kJ/kWh，比检修前降低了104.3 kJ/kWh;检修后高压缸效率为84.32%，比检修前提高了1.21个百分点;中压缸效率为91.08%，比检修前提高了0.84个百分点;通过影响系数法测得高压缸向中压缸漏量占再热蒸汽份额由修前的3.96%降低到2.08%，通过汽封改造，中压缸平衡盘漏量达到了较好水平。

表1 汽封改造前后缸效率和热耗率对比

3 结束语

现代大型机组向高参数方向发展，因此对密封提出了更高的要求。高参数大容量机组，机组效率每提高1个百分点，就会有数百万元的收益。建议对高、中压轴端每段汽封都进行改造，间隙调小可明显减少漏汽，提高机组出力、改造隔板汽封以提升整机效率、降低能耗。对此，刷式汽封提供了一种减小汽轮机动静间隙密封以提高效率、减少机组发电煤耗的有效方法。

［1］曲莹军，李 放.采用新型结构汽封对轴封的改造 ［J］.东北电力技术，2006，27(3):27－29.

［2］张延峰.汽轮机改造技术 ［M］.北京:中国电力出版社，2005.

［3］李 敬，孟昭军，张延峰.对汽封改革趋势的综合分析［J］.东北电力技术，2004，25(12):37－39.

［4］何立东，袁 新，伊 新.刷式密封研究的进展 ［N］.中国电机工程学报，2001，12.

［5］赵伟光，王莺歌，王 辉，等.汽轮机通流部分采用可调式汽封实用效果评价 ［J］.东北电力技术，2012，23(12):19－21.

［6］金 岩.辽宁东方发电有限公司2号汽轮机组A级检修后热力性能试验报告［R］.2013:1－2.